KR101980383B1 - 전기분해식 온-사이트 발전기 - Google Patents

Abstract

유지보수가 필요없고 신뢰도가 높은 온-사이트 전기분해 발전기를 위한 장치 및 방법은 오염물질 박막의 형성을 모니터링함과 아울러 오염물질 박막을 자동으로 제거 또는 세척하는 자동 전지를 포함한다. 바람직하게, 이 장치와 방법은 세척을 위한 사람의 개입을 필요로 하지 않는다. 전류 밀도가 높은 전지에 있어서, 바람직하게, 전극들의 극성을 역전시키고 상기 전극들에 대해 낮은 전류 밀도를 인가함으로써 세척이 실시되며, 바람직하게, 전압을 일정하게 유지하면서 전해액의 염도 또는 염수 농도를 조절함으로써 실시된다. 바람직하게, 전해액의 유동은, 바람직하게, 각각 모니터링되고 자동으로 조절되는 물의 유동과 염수의 유동을 포함한다. 이극성 전지에 있어서, 바람직하게, 평행하게 배열된 모듈들 사이의 유동은 모듈들 사이에서, 그리고 각 모듈 내부의 중간 전극들 사이에서 거의 동일하게 분배된다.

Description

전기분해식 온-사이트 발전기{ELECTROLYTIC ON-SITE GENERATOR}

관련 출원의 교차 참조

본원은 "유지보수가 필요없는 전기분해식 온-사이트 발전기"란 명칭으로 2010년 8월 6일자에 출원된 미국 가특허 출원번호 제61/371,585호 및 "개입이 필요없는 전기분해식 화학 발전기를 위한 역극성 세척 및 전자 유동 제어 시스템"이란 명칭으로 2010년 8월 6일자에 출원된 미국 가특허 출원번호 제61/371,490호의 출원 이익과 우선권을 주장한다. 또한, 본원은 "유지보수가 필요없는 온-사이트 발전기"란 명칭으로 2006년 11월 28일자에 출원된 미국 가특허 출원번호 제60/867,557호의 출원 이익과 우선권을 주장하는 출원인 "유지보수가 필요없는 온-사이트 발전기"란 명칭으로 2007년 11월 8일자에 출원된 미국 특허 출원번호 제11/946,772호(2011년 4월 12일자에 미국 특허번호 제7,922,890호로 등록됨)의 부분 계속 출원인 "고전류 밀도 전기분해식 전지를 위한 역극성 세척"이란 명칭으로 2008년 5월 28일자에 출원된 미국 가특허 출원번호 제61/056,718호의 출원 이익과 우선권을 주장하는 출원인 "개입이 필요없는 전기분해식 화학 발전기를 위한 역극성 세척 및 전자 유동 제어 시스템"이란 명칭으로 2009년 5월 28일자에 출원된 미국 특허 출원번호 제12/473,744호의 부분 계속 출원이다. 이 모든 출원들의 명세서와 특허청구범위들은 인용에 의해 본 명세서에 통합되었다.

본 발명은 유지보수가 거의 필요없는 전기분해식 온-사이트 발전기에 관한 것이다.

하기된 설명은 많은 공개 문헌들과 인용 문헌들을 참조한다는 것을 유의하여야 한다. 본 명세서에서 그러한 공개 문헌들에 대한 설명은 과학적 이론들의 보다 완벽한 배경을 위해 제시되었으며, 그러한 공개 문헌들을 특허성 판정을 목적으로 한 종래 기술로 인정하는 것으로 이해되어서는 안된다.

염화나트륨 염수 용액으로부터 혼합-산화제 및 차염소산 나트륨 용액을 생산하기 위해 치수적으로 안정적인 양극을 활용하는 전기분해 기술들이 개발되어 왔다. 치수적으로 안정적인 양극이 "전극 및 그 제조 방법"이라는 명칭으로 베어에게 허여된 미국 특허번호 제3,324,110호에 개시되어 있으며, 여기에서는 귀금속 코팅이 티타늄 기판 위에 도포된다. 물을 소독하기 위한 혼합 산화제와 염소의 생산을 위해 전기분해 전지들이 광범위하게 사용되어 왔다. 가장 간단한 전기분해 전지들의 일부가 "물을 멸균하기 위한 전기분해 방법 및 전지"라는 명칭의 미국 특허번호 제4,761,208호 및 "오존 함량이 높은 멸균 용액을 발생시키기 위한 전기분해 전지"라는 명칭의 미국 특허번호 제5,316,740호에 개시되어 있다.

전기분해 전지는 두 가지 유형이 있다. 첫 번째 카테고리는 전지 내부에 음극 제품과 양극 제품의 완벽한 분리를 유지하기 위해 멤브레인을 이용하는 분할형 전지를 포함한다. 두 번째 카테고리는 멤브레인을 이용하지 않고, 멤브레인 오손과 연관된 문제로 인한 곤란을 거의 겪지도 않는 비분할형 전지를 포함한다. 그러나, 비분할형 전기분해 전지의 주요 고장 메커니즘들 중 하나가 전극 표면상에서 불필요한 박막의 형성이라는 것이 잘 받아들여지고 있다. 이 오염물질들의 근원은 통상적으로 염수 용액 공급 시스템을 만들기 위해 사용되는 염 내의 오염물질이거나 공급수로부터 온-사이트 발전 프로세스까지 중 어느 하나이다. 통상적으로, 이 불필요한 박막들은 망간, 탄산 칼슘 또는 다른 불필요한 물질을 포함한다. 이 박막들의 형성이 제어되지 않거나, 이들이 매우 규칙적으로 제거되지 않으면, 전기분해 전지들은 동작 효율을 소실할 것이며, 결국 (국소화된 높은 전류 밀도, 전기적 아킹 또는 몇몇 다른 이벤트로 인하여) 재해적인 고장을 일으킬 것이다. 통상적으로, 제조사들은 전기분해 전지로 이 오염물질들이 유입되지 않도록 하기 위해 시스템에 대한 공급수에 연수제를 포함시킴으로써 이러한 유형의 형성을 방지한다. 그러나, 이 오염물질들은 염수를 만들기 위해 사용되는 염으로부터 시간이 지남에 따라 프로세스로 유입될 것이다. 전지 세척 작업의 발생을 최소화하기 위해 고품질의 염이 통상적으로 명시된다. 전지로 오염물질이 유입되지 않도록 하는 특정 수준까지 염을 정화하기 위한 프로세스들이 당업계에 잘 알려져 있다. 그러나, 이 염 세척 프로세스들은, 분할형 전지의 효과적인 작동을 위해서는 필수적이지만, 비분할형 전지를 활용하는 소형의 온-사이트 발전 프로세스에는 너무 복잡한 것으로 생각된다.

인용에 의해 본 명세서에 통합된 미국 특허 출원번호 제11/287,531호는 탄산염 검출기에 관한 것으로, 내부 박막 형성에 대해 전기분해 전지를 모니터링하기 위한 하나의 가능한 수단을 개시하고 있다. 일정한 전류 제어 계획(schemes)을 이용하는 전지 내에서 탄산염의 형성을 모니터링하기 위한 다른 가능한 수단은 전지로의 염류 속도를 모니터링하는 것이다. 염류 유동이 증가할수록, 항상 그렇지는 않지만, 일반적으로 음극 전극 상에 탄산염이 형성되며, 이는 전지 내에 전기 저항을 생성하게 된다. 이 방법들 및/또는 전지의 내부 작동에 대한 시각적 검사 이외에, 전기분해 전지에서의 형성의 내부 상태를 모니터링하기 위한 적절한 방법이 현재 없다.

현재 허용되는 전기분해 전지의 세척 방법은 산(흔히, 염산)으로 플러싱하여 형성되어 있는 임의의 증착물들을 제거하는 것이다. 통상적으로, 제조사들은 이러한 작업을 정기적으로, 적어도 매년, 그러나 가끔은 매월 자주 실시하도록 권고한다. 따라서, 염산과 같은 소모재를 별도로 공급할 필요가 없고, 작업자의 개입이 필요하지 않으며, 자동적으로 세척 프로세스를 실시하여, 전기분해 전지의 청결도를 보장하기 위한 더 신뢰할 수 있는 방법이 요구된다.

"물을 전기분해하기 위한 장치 및 방법"이라는 명칭으로 에키 등에게 허여된 미국 특허번호 제5,853,562호는 탄산염 스케일을 제거하고 전기분해 전지의 수명을 연장하기 위한 목적으로 멤브레인리스 전기분해 전지에서 전극의 극성을 역전시키기 위한 프로세스를 개시하고 있다. 이 전기분해 전지 세척 방법은 전기분해에 의해 수영장 물의 염화나트륨 염을 염소로 변환시키는 전기분해식 염소살균기를 통한 유동에 흔히 사용된다. 그러나, 현재 사용되고 있는 전기분해 전지를 통한 유동은 공동 촉매 코팅을 모두 가진 전극들(양극과 음극)로 구성되어 있다. 전기 극성이 변화되면, 이전의 음극은 양극이 되고, 양극은 음극이 된다. 이러한 응용예들을 위해 특수한 촉매 코팅이 개발되었다. 예컨대, 엘테크 코포레이션은 수영장 염소 처리 시장을 위해 특별히 EC-600 코팅을 개발하였다. 통상적으로 염화나트륨이 수영장 물에 첨가되어, 총용존 고형물(TDS) 함량을 대략 리터당 4 내지 5그램으로 상승시킨다. 이러한 TDS 값들에서, 수영장 전기분해 전지에서의 전류 밀도는 비교적 낮다. 어느 한 방향으로 인가되는 극성으로 장기간 동안 이 낮은 전류 밀도를 견디도록 수영장에서의 응용을 위해 특수한 양극 코팅이 설계되었다. 그러나, 리터당 8그램(8,000㎎/L)의 유리 유효 염소(FAC)의 농도로 염소를 생산하는 멤브레인리스 전기분해 전지에서 염소 생산을 위해 가장 치수적으로 안정적인 양극은 역극성 모드에서 (평방 인치당 대략 1 암페어를 초과하는) 높은 전류 밀도를 견딜 수 없다. 따라서, 낮은 전류 밀도의 전기분해 전지의 극성 작용을 간단하게 역전시키지만, 역극성 세척 작업중에 높은 전류 밀도가 인가되면 양극이 손상될 것이기 때문에, 일반적으로 높은 전류 밀도에서 작동하는 전기분해 전지에 대해서는 적합하지 않다.

전기분해식 발전기의 다른 유지보수 문제점 중 하나는 시스템으로의 물의 유동을 작업자가 가끔 측정하여 설정할 필요가 있다는 것이다. 발전기를 통한 유동은 유입 및 유출 수압 및/또는 시스템 또는 전기분해 전지 내에서의 오염물질의 형성에 의해 크게 변할 수 있다. 통상적으로, 유량계 또는 시간별 체적 측정에 의해 측정이 이루어지고, 수동 밸브에 의해 유동에 대한 조절이 실시된다. 전기분해식 발전기가 유동 제원 내에서 작동하도록 유지하는 것이 중요한데, 그 이유는 발전기가 그 효율 제원 내에서 장기간 동안 신뢰할 수 있게 작동하도록 보장하기 때문이다.

본 발명의 실시예들은 전기분해 전지의 작동 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 전기분해 전지에 염수를 공급하는 단계, 상기 전기분해 전지 내에서 하나 이상의 산화제를 생산하는 단계, 오염물질 형성 수준을 검출하는 단계, 상위 오염물질 역치가 검출된 후 염수 공급을 자동으로 정지시키는 단계, 상기 전기분해 전지를 자동으로 세척하여 상기 전기분해 전지 내의 오염물질을 줄이는 단계, 및 하위 오염물질 역치가 검출된 후 상기 하나 이상의 산화제의 생산을 자동으로 계속하는 단계를 포함한다. 바람직하게, 상기 세척 단계는 산 발생 전기분해 전지에 염수를 제공하는 단계, 상기 산 발생 전기분해 전지 내에서 산을 발생시키는 단계, 및 상기 전기분해 전지 속으로 산을 유도하는 단계를 포함한다. 바람직하게, 상기 산은 염산(muriatic acid 또는 hydrochloric acid)을 포함한다. 바람직하게, 상기 방법은 상기 염수를 희석하는 단계를 더 포함한다. 바람직하게, 상기 검출 단계는 탄산염 검출기를 이용하는 단계를 포함한다. 바람직하게, 상기 검출 단계는 유량계 출력, 전기분해 전지의 온도, 염수 펌프 속도 및 유입수 유량으로 이루어진 군으로부터 선택된 양을 선택적으로 측정함으로써, 상기 전기분해 전지 내에서 염수 소모율을 측정하는 단계를 포함한다. 바람직하게, 상기 방법은 상기 염수 소모율을 깨끗한 전기분해 전지에서의 염수 소모율에 대해 비교하는 단계를 더 포함한다. 상기 세척 단계는 초음파 장치를 이용하는 단계 및/또는 자기 작동식 기계적 전극 세척 장치를 이용하는 단계, 또는 상기 전기분해 전지 내의 전극들의 극성을 역전시켜 음극에서의 pH를 낮추는 단계를 선택적으로 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예들은 산화제 생산 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 염수 공급 장치, 전기분해 전지, 산 공급 장치 및 상기 산 공급 장치으로부터 상기 전기분해 전지로 산을 자동으로 유도하기 위한 제어 시스템을 포함한다. 바람직하게, 상기 산 공급 장치는 보조 전기분해 전지를 포함하고, 바람직하게, 상기 염수 공급 장치는 세척 사이클 동안 상기 보조 전기분해 전지에 염수를 제공한다. 바람직하게, 상기 장치는 가변 속도 염수 펌프, 탄산염 검출기, 상기 전기분해 전지의 온도를 측정하기 위한 하나 이상의 써모웰(thermowells), 및/또는 상기 염수의 유량을 측정하기 위한 하나 이상의 유량계를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예들은 산화제 생산 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 염수 공급 장치, 전기분해 전지, 상기 전기분해 전지 내의 세척 기구, 및 상기 세척 기구를 자동으로 작동시키기 위한 제어 시스템을 포함한다. 바람직하게, 상기 세척 기구는 초음파 혼(ultrasonic horn), 자기 작동식 기계적 전극 세척 장치 및 음극 표면에서의 산성 용액으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 바람직하게, 상기 장치는 탄산염 검출기, 상기 전기분해 전지의 온도를 측정하기 위한 적어도 하나의 써모웰 및 상기 염수의 유량을 측정하기 위한 유량계로 이루어진 군으로부터 선택된 장치를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예들은 전극들을 포함하는 전기분해 전지의 세척 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 상기 전극들 중 2개 이상의 전극들의 극성을 역전시키는 단계 및 상기 전기분해 전지의 정상 작동중 사용되는 작동 전류 밀도보다 낮은 세척 전류 밀도를 상기 전극들에 제공하는 단계를 포함한다. 정상 작동중, 바람직하게, 상기 전기분해 전지는 약 4,000㎎/L 초과, 더 바람직하게 약 5,000㎎/L 초과, 가장 바람직하게 약 8,000㎎/L 초과의 유리 유효 염소의 농도를 생산한다. 바람직하게, 상기 작동 전류 밀도는 평방 인치당 대략 1 암페어를 초과한다. 바람직하게, 상기 세척 전류 밀도는 상기 작동 전류 밀도의 대략 20% 미만이고, 더 바람직하게, 상기 작동 전류 밀도의 대략 10% 내지 대략 15% 사이이다. 바람직하게, 상기 제공 단계는 대략 30분 미만 동안 실시되고, 더 바람직하게, 대략 5분 내지 대략 10분 사이 동안 실시된다. 상기 역전시키는 단계는 적어도 하나의 전력 공급 릴레이 또는 다른 스위칭 장치를 이용하는 단계를 선택적으로 포함한다. 바람직하게, 상기 작동 전류 밀도는 작동 전력 공급 장치에 의해 제공되고, 바람직하게, 상기 세척 전류 밀도는 별도의 세척 전력 공급 장치에 의해 제공된다. 바람직하게, 상기 세척 전력 공급 장치의 전력 생산 용량은 상기 작동 전력 공급 장치의 전력 생산 용량보다 작다. 바람직하게, 상기 방법은 상기 전기분해 전지를 통한 전해액의 유량을 모니터링하는 단계를 더 포함한다. 바람직하게, 상기 모니터링 단계는 유량계, 로타미터(rotameter) 또는 압력 변환기를 이용하거나, 상기 전기분해 전지의 입구에 배치된 제1 열전대 또는 써모웰과 상기 전기분해 전지의 출구에 배치된 제2 열전대 또는 써모웰을 통해 상기 전기분해 전지에서의 온도차를 모니터링하여 실시된다. 바람직하게, 상기 방법은 상기 유량을 자동으로 조절하는 단계를 더 포함하고, 바람직하게, 소정의 유량에서 세척 사이클을 개시하는 단계를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예들은 전극들을 포함하는 전기분해 전지의 세척 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 상기 전극들 중 2개 이상의 전극들의 극성을 역전시키는 단계 및 상기 전기분해 전지의 정상 작동중 사용되는 작동 전압 전위차보다 낮은 세척 전압 전위차를 상기 전극들에 제공하는 단계를 포함한다. 정상 작동중, 바람직하게, 상기 전기분해 전지는 약 5,000㎎/L 초과의 유리 유효 염소의 농도를 생산한다. 바람직하게, 상기 제공 단계는 대략 5분 내지 대략 10분 사이의 시간 동안 실시된다. 바람직하게, 상기 역전시키는 단계는 적어도 하나의 전력 공급 릴레이 또는 다른 스위칭 장치를 이용하는 단계를 포함한다. 바람직하게, 상기 작동 전압 전위차는 작동 전력 공급 장치에 의해 제공되고, 바람직하게, 상기 세척 전압 전위차는 별도의 세척 전력 공급 장치에 의해 제공된다. 바람직하게, 상기 방법은 상기 전기분해 전지를 통한 전해액의 유량을 모니터링하는 단계와 상기 유량을 자동으로 조절하는 단계를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예들은 전기분해 제품의 생산 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 전극들을 포함하는 전기분해 전지, 상기 전극들에 대해 제1 전류 밀도를 제공하기 위한 제1 전력 공급 장치, 및 상기 제1 전력 공급 장치과는 반대의 극성을 가지며, 상기 전극들에 대해 제2 전류 밀도를 제공하기 위한 제2 전력 공급 장치를 포함하며, 상기 제2 전류 밀도는 상기 제1 전류 밀도보다 작다. 바람직하게, 상기 전기분해 전지는 약 5,000㎎/L 초과의 유리 유효 염소의 농도를 생산한다. 바람직하게, 상기 제2 전류 밀도는 상기 제1 전류 밀도의 대략 10% 내지 대략 15% 사이이다. 바람직하게, 상기 장치는 적어도 하나의 전력 공급 릴레이 또는 다른 스위칭 장치를 더 포함하고, 바람직하게, 상기 전기분해 전지를 통한 전해액의 유량을 모니터링하기 위한 유동 모니터링 장치를 포함한다. 바람직하게, 상기 유동 모니터링 장치는 유량계, 로타미터, 압력 변환기, 한 쌍의 열전대 및 한 쌍의 써모웰로 이루어진 군으로부터 선택된다. 한 쌍의 열전대 또는 써모웰이 이용되면, 바람직하게, 하나의 열전대 또는 써모웰은 상기 전기분해 전지의 입구에 배치되고, 바람직하게, 다른 하나의 열전대 또는 써모웰은 상기 전기분해 전지의 출구에 배치된다. 바람직하게, 상기 장치는 상기 유량을 조절하기 위한 전자 작동식 밸브를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예는 전기분해 전지의 작동 방법이며, 상기 방법은 염수 유량을 모니터링하는 단계, 물의 유량과 압력을 모니터링하는 단계, 염수와 물을 혼합하여 전해액을 형성하는 단계, 상기 전해액의 전기분해 전에 상기 전해액의 압력과 유량이 소정의 한계값 이내가 되도록 상기 염수 유량과 상기 물 유량을 각각 자동으로 조절하는 단계, 및 상기 전해액을 전기분해하는 단계를 포함한다. 바람직하게, 상기 염수 유량과 상기 물 유량을 각각 자동으로 조절하는 단계는 상기 전해액의 전기분해 전에 상기 전해액의 염도 및/또는 농도가 소정의 한계값 이내가 되도록 보장한다. 바람직하게, 상기 방법은 전해액 온도 및/또는 산화제 온도를 모니터링하는 단계를 더 포함한다. 바람직하게, 상기 방법은 상기 물의 압력을 전기분해 작동 압력으로 낮추는 단계를 더 포함한다. 바람직하게, 상기 방법은 너무 높거나 너무 낮은 유입수 압력에 의해 유발되는 손상을 피하기 위해 전기분해를 정지시키는 단계를 더 포함한다. 바람직하게, 상기 염수 유량과 상기 물 유량을 각각 자동으로 조절하는 단계는 전해액 온도, 산화제 온도, 전기분해 전류 밀도, 물 유량, 물 압력, 염수 유량 또는 이들의 조합에 대응하여 실시된다. 바람직하게, 상기 방법은 산화제 탱크 내에서 전기분해의 개시를 나타내는 산화제의 하위 역치량을 선택하는 단계와 상기 산화제 탱크 내의 산화제의 양이 상기 하위 역치량보다 높아도 전기료가 낮으면 상기 전해액의 전기분해를 개시하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예는 전기분해를 실시하기 위한 장치이며, 상기 장치는 가변 속도 염수 펌프와 온-오프 스위치를 포함하는 염수 입력 라인, 압력 센서, 유량계 및 유동 제어 밸브를 포함하는 물 입력 라인, 상기 염수 입력 라인과 상기 물 입력 라인 사이의 연결부, 전기분해 전지, 및 산화제 탱크를 포함한다. 바람직하게, 상기 장치는 상기 물 입력 라인 상의 감압 밸브, 상기 염수 입력 라인 상의 체크 밸브, 전해액 온도를 측정하기 위한 온도 측정 장치 및/또는 산화제 온도를 측정하기 위한 온도 측정 장치를 더 포함한다. 바람직하게, 상기 장치는 상기 가변 속도 염수 펌프와 상기 물 유동 제어 밸브의 작동을 각각 제어하기 위한 컨트롤러를 더 포함한다. 바람직하게, 상기 컨트롤러는 전해액 온도, 산화제 온도, 상기 전기분해 전지 내의 전류 밀도, 물 유량, 물 압력 및 염수 유량으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 입력에 대응하여 작동한다.

본 발명의 일 실시예는 전기분해 전지의 세척 방법이며, 상기 방법은 상기 전기분해 전지의 전류 밀도가 소정의 세척 전류 밀도 이하로 떨어질 때까지 전해액의 염도를 낮추는 단계, 전극 극성을 역전시키는 단계, 일정한 전극 전압을 유지하는 단계, 상기 전기분해 전지로의 물의 유동을 중단시키는 단계, 상기 전류 밀도가 소정의 세척 전류 밀도 이상으로 증가할 때까지 상기 전기분해 전지를 작동시키는 단계, 상기 전류 밀도가 소정의 전류 밀도 이하로 감소할 때까지 상기 전기분해 전지로의 물의 유동을 시작하는 단계, 및 상기 중단 단계, 상기 작동 단계 및 상기 시작 단계를 반복하는 단계를 포함한다. 바람직하게, 상기 중단 단계, 상기 작동 단계 및 상기 시작 단계를 반복하는 단계는 상기 전지로부터 오염물질을 물리적으로 축출한다. 바람직하게, 상기 전기분해 전지로의 염수의 유동과 상기 전기분해 전지로의 물의 유동은 독립적으로 제어가능하다. 바람직하게, 상기 낮추는 단계는 염수의 유동을 정지시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 전류 밀도가 상기 작동 단계 도중 충분히 증가하지 않으면 전해액의 염도를 증가시키는 단계를 선택적으로 더 포함한다. 바람직하게, 상기 방법은 시한의 경과, 상기 전지의 작동 시간의 초과, 상기 전지를 통한 전해액 유동량의 초과 및 오염물질 수준의 도달로 이루어진 군으로부터 선택된 소정의 이벤트가 발생한 후, 산화제 탱크 내의 산화제의 양이 소정의 하위 역치량 이하일 때 실시된다. 바람직하게, 상기 방법은 실질적으로 세척이 완료된 직후 상기 전기분해 전지의 정상 작동을 개시하는 단계와, 세척이 완료되면, 상기 전기분해 전지로부터 스케일 조각과 같은 파편을 플러싱하는 단계를 더 포함한다. 바람직하게, 상기 방법은 대략 3분 내지 5분 동안 실시된다. 바람직하게, 상기 반복 단계는 대략 30초마다 실시된다. 바람직하게, 상기 방법은 대략 한 달에 한번 실시된다. 바람직하게, 상기 소정의 세척 전류 밀도와 전체 세척 시간은 상기 전기분해 전지를 1800 암페어-초와 같은 소정 양의 암페어-초에 노출하도록 선택된다.

본 발명의 일 실시예는 이극성 전기분해 전지이며, 상기 이극성 전기분해 전지는 주 전극들과 하나 이상의 중간 전극을 각각 포함하며 평행하게 배열된 복수의 모듈, 각각의 모듈 사이에 전해액을 실질적으로 균일하게 분배하기 위한 매니폴드, 전해액 입구 내부에 위치된 각 모듈 내의 유동 확산기, 및 상기 전기분해 전지 내에서 전해액과 산화제의 유동을 용이하게 균일하게 하기 위해 상기 중간 전극들 중 하나 이상의 중간 전극 내의 개구 또는 각 모듈 내의 갭(gap) 영역을 포함하며, 각 모듈에서 전해액의 일반적인 유동 방향은 상기 전극들에 대해 평행하다. 바람직하게, 상기 유동 확산기는 각 모듈로 진입하는 전해액이 상기 전극들 사이로 직접 흐르지 않도록 차단한다. 상기 갭 영역은 상기 중간 전극들의 형상 또는 에지 보호기의 크기에 의해 선택적으로 형성된다. 바람직하게, 상기 에지 보호기는 상기 중간 전극들을 수용하여 유지하기 위한 하나 이상의 그루브를 포함하며, 바람직하게, 염소화폴리염화비닐(CPVC) 또는 Viton^®을 포함한다. 바람직하게, 상기 에지 보호기는 다른 크기의 에지 보호기로 대체가능하며, 이에 따라, 하나의 모듈 하우징이 다른 크기의 중간 전극들을 수용할 수 있도록 한다. 바람직하게, 하나의 중간 전극 상의 개구들은 인접한 중간 전극들 내의 개구들로부터 엇갈리거나 오프셋된다.

또한, 본 발명의 일 실시예는 이극성 전기분해 전지의 작동 방법이며, 상기 방법은 입구들과 출구들이 평행하게 연결된 복수의 모듈들 사이로 상기 전기분해 전지로 진입하는 전해액의 유동을 실질적으로 균일하게 분배하는 단계, 각 모듈에 존재하는 하나 이상의 중간 전극들 사이에서 전해액의 유동이 실질적으로 균일하도록, 각 모듈로 진입하는 전해액의 유동을 확산시키는 단계, 상기 중간 전극들 중 하나 이상의 중간 전극 내의 개구를 통해 또는 갭 영역 내에서 상기 중간 전극들 사이의 전해액의 유동을 혼합시키는 단계, 및 상기 중간 전극들에 대해 평행한 방향으로 전해액을 일반적으로 유동시키는 단계를 포함한다. 바람직하게, 상기 확산 단계는 각 모듈로 진입하는 전해액이 상기 중간 전극들 사이로 직접 흐르지 않도록 차단하는 단계를 포함한다. 바람직하게, 상기 방법은 산화제 탱크 내에서 전기분해의 개시를 나타내는 산화제의 하위 역치량을 선택하는 단계와 상기 산화제 탱크 내의 산화제의 양이 상기 하위 역치량보다 높아도 전기료가 낮으면 상기 전해액의 전기분해를 개시하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 목적, 장점, 신규한 특징 및 추가적인 응용 범위가 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명에 어느 정도 개시될 것이며, 어느 정도는 당업자가 이하의 상세한 설명을 검토하면 명확하게 이해할 것이고, 본 발명을 실시함으로써 습득할 수 있을 것이다. 본 발명의 목적과 장점은 첨부된 특허청구범위에 명확하게 특정된 수단들과 조합들에 의해 실현되고 획득될 수 있다.

본 명세서에 통합되어 일부를 형성하는 첨부 도면들은 본 발명의 실시예들을 도시하고 있으며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 도면들은 본 발명의 특정 실시예들을 예시하기 위한 목적을 가질 뿐 본 발명을 한정하는 것으로 간주되어서는 안된다.

도 1은 유지보수가 필요없는 온-사이트 발전기 유닛의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 2는 전기분해 전지를 세척하기 위한 역극성 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 온-사이트 발전기의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4는, 예컨대, 도 3의 온-사이트 발전기와 함께 사용하기 위한, 본 발명의 전지의 일 실시예의 등각도이다.
도 5a는 도 4의 전지의 모듈의 입구측의 절개 단부도이다.
도 5b는 도 4의 전지의 모듈의 출구측의 사시도이다.
도 6은 대안적 모듈의 단면도이다.

본 발명의 실시예들은 방법 및 장치이며, 본 발명에 의해 온-사이트 발전기 전기분해 전지는 바람직하게는 전극 표면에서의 오염물질의 형성이 자동으로 모니터링되고, 오염물질이 검출될 때 전기분해 전지는 자동으로 세척되며, 이에 의해 일반적으로 전기분해 전지의 긴 수명 동안 요구되었던 작업자의 개입 및/또는 보조 장비(경수 연화 장치 등)가 필요없는 높은 신뢰성의 유지비가 낮은 온-사이트 발전기를 성취하기 위한 간단하고, 저렴하며, 신뢰성 있는 프로세스를 제공한다.

전기분해 전지들의 내부 상태는 전지 입력 및 성능을 모니터링함으로써 자동으로 모니터링될 수 있다. 전지가 얼마나 많은 염수를 소모하는지는 그 전지에 형성되는 박막의 양 및 종류에 의존한다. 만약 염수 유동이 계속 모니터링되면, 소정 전압에서 소정 전류에 도달하는 염수 유동에서의 급격한 변화는 전지 내에 박막 형성의 잠재적인 문제를 나타내는 것이다. 바람직하게는 전기분해 전지 내에 오염물질 형성이 있는지 여부를 결정하기 위하여 본 발명은 염수, 유입수, 온도 등의 유동 특성을 모니터링한다. 제어 시스템에 의해 전지 내에서 잠재적인 박막 형성이 검출되었을 때, 바람직하게는 전지가 자동으로 산 세척된다.

전기분해 전지와 통합된 탄산염 검출기, 자동 산 세척 및 장치 제어가 이용될 수 있다. 혼합된 산화제 또는 차염소산 나트륨을 생성하기 위하여 사용되는 것과 별개의 전기분해 전지가 온-사이트에서 필요에 따라 산을 생성하고, 차염소산 나트륨 또는 혼합된 산화제를 생성하기 위해 사용되는 전기분해 전지 내의 오염물질을 제거하기 위한 산을 제공하도록 사용된다. 대안적으로, 전지를 세척하기 위해 온-사이트에서 농축 산을 저장하기 위하여 저장소(reservoir)가 사용되고, 산 저장소를 모니터링하며 산 저장소를 재충전할 필요가 있을 때 작업자에게 경고 신호로 알리고, 전지를 세척하기 전에 원하는 농도로 산을 희석시킨다. 전술한 방법에 의해 오염물질이 검출될 때 불필요한 오염물질을 자동으로 제거하기 위한 초음파 세척 방법이 또한 본 발명에 통합될 수 있다.

본 발명의 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 바람직하게는, 이 장치의 모든 구성요소들은 배면 플레이트(15)에 장착된다. 실시예에 도시된 모든 개별적인 구성요소를 위한 제어 장치 및 전력 공급 장치들은 바람직하게는 제어 박스(5)에 수용되어 있지만, 장치의 전체적인 작동을 위한 마스터 제어 장치가 배치되는 곳이라면 대안적으로 편리한 어느 곳에도 배치될 수 있다.

바람직하게, 제어 박스(15)는 디스플레이(10)를 통해서 유닛의 상태를 나타내며, 마스트 제어뿐만 아니라 전력 및/또는 구성요소 신호는 바람직하게는 배선(50)을 경유하여 제어 박스(5)와 개별적인 여러 구성요소들 간에 전해진다. 물(바람직하게는 연수)은 바람직하게는 물 유입관(30)을 통하여 시스템으로 들어가고, 염수는 바람직하게는 염수 유입관(25)을 통하여 시스템으로 들어간다. 염수, 바람직하게는 포화 염수 사일로 또는 탱크에 저장된 염수는 바람직하게는 배선(50)에 의해 동력을 공급받고 제어되는 가변 속도 염수 펌프(20)를 통해 펌핑된다. 그 다음에, 염수는 바람직하게는 배선(50)을 통해 전기적으로 모니터링될 수 있는 유량계(35)를 통과한다. 제어 시스템은 가변 속도 염수 펌프(20)의 속도를 증가시킴으로써 염수의 유량을 제어할 수 있다.

전기분해 발전기가 정상 작동 모드에 있고 목표 전류 및 목표 전압에 있을 때, 전기분해 전지(55)를 통한 전체 유동은 예를 들면 유량계, 로타미터, 압력 변환기에 의해서 또는 입구 써모웰(65)과 출구 써모웰(70)을 모니터링하여 전기분해 전지(55)를 가로질러 온도의 변화를 모니터링하는 것에 의해서 모니터링될 수 있다. 예를 들면 전기 분해 발전기로의 유입 압력 및/또는 유동의 동요에 대응하여 제어 박스(5)가 유동이 목표를 벗어났다고 결정할 때, 바람직하게는 제어 박스가 전기적으로 제어되는 전지 입구 밸브(6)를 변경함으로써 유동을 자동적으로 조정한다. 이 방식으로, 전지는 항상 목표 유동 수준 가까이에서 작동할 수 있으며, 유입되는 유동의 정기적인 측정이나 조정을 요구하지 않을 것이다.

유량계(35), 탄산염 검출기(60), 전기분해 전지(55), 산 발생 전기분해 전지(45) 및/또는 써모웰(65, 70)과 같은 소오스 중의 어느 것으로부터의 데이터(또는 이들 소스들로부터의 데이터의 조합들)는 바람직하게는 염수의 용적 유량을 결정하기 위하여 사용된다. 밸브(40)는 전기분해 전지(55)나 산 발생 전기분해 전지(45)로 유동을 향하도록 할 수 있다. 일반적으로 밸브(40)는 희석된 염수(농축된 염수와 유입수가 바람직하게는 함께 배관되었으며 염수는 밸브(40)에 도달하기 전에 희석된 것)를 포함하는 전해액을 전기분해 전지(55)로 유동시킨다. 이러한 표준 작동 구성에서, 시스템은 예를 들면 혼합된 산화제 또는 차염소산 나트륨을 생성한다.

본 발명에 따라 임의의 위치에 배치될 수 있는 탄산염 검출기(60)에 오염물질이 형성될 때, 바람직하게는 탄산염 검출기(60)가 전기분해 전지(55)에 오염물질 박막이 형성되고 있는지 여부를 나타내는 일련의 신호를 배선(60)을 통하여 제어 박스(50)로 보낸다. 탄산염 검출기(60)는 오염물질 박막이 존재하는 것을 나타낼 때, 바람직하게는 제어 박스(5)가 장치에서 산 세척 사이클을 시작하고, 여기에서 밸브(40)는 희석된 염수를 산 발생 전지(45)로 강제로 보내기 위하여 배선(50)을 통해 작동되고, 산 발생 전지(45)도 바람직하게는 제어 박스(5)에 의해 배선(50)을 통하여 동력을 공급받는다. 바람직하게 시스템은 산 발생 전기분해 전지(45)에 최적의 산 생성을 위해 최적화된 속도(유량계(35)에 의해 측정되는 것)로 유동하도록 염수 펌프(20)를 가동한다. 이 실시예에서, 바람직하게는 산 발생 전지(45)에서 생성된 산은 오염물질을 세척하는 전기분해 전지(55)를 통하여 유동하고, 그 다음에 탄산염 검출기(60)를 통하여 유동한다. 바람직하게 시스템은 탄산염 검출기(60)가 제어 박스(5)에 시스템이 세척되고 표준 혼합 산화물 또는 차염소산 나트륨 생산 모드에서 다시 가동을 시작할 수 있다는 것을 나타내는 신호를 보낼 때까지 이러한 산 세척 모드에서 가동한다. 전기분해 전지(55)를 세척하기 위하여 사용된 산은 바람직하게는 산화물 저장 탱크에 버려지는 대신에 탄산염 검출기(60)를 통하여 유동시킨 후에 별개의 폐기물 배출 시설에 버려진다. 전기분해 전지(55)는 산 발생 전지를 사용하는 대신에 또는 부가적으로, 초음파 혼 및/또는 자기 작동식 기계적 전극 세척 장치로 선택적으로 세척될 수 있다.

대안적인 실시예에서, 농축된 산은 저장소에 저장된다. 산 세척 사이클 중에, 바람직하게는 제어 박스(5)는 산이 전기분해 전지(55)로 유동할 수 있도록 펌프 또는 밸브를 작동시킨다. 바람직하게는 저장소는 상이한 많은 산 세척 사이클들을 수용할 수 있도록 충분히 크다. 일부의 산은 전기분해 전지(55)를 세척하기 위한 표준적인 유입수로 희석될 수 있다.

만약 탄산염 검출기(60)(또는 임의의 다른 오염물질 검출 구성요소)가 사용되지 않으면, 바람직하게 전기분해 전지(55)는 오염물질이 전기분해 전지(55)를 손상시키지 않도록 하기 위하여 정해진 세척 일정으로 세척될 수 있다. 일반적으로 이러한 세척 일정은 마지막 세척이 종료된 때부터 전기분해 전지가 가동된 시간을 기초로 하며, 바람직하게는 전기분해 전지에 과도한 오염물질이 형성되지 않는 것을 보장하기에 충분할 정도로 자주 하는 것이다.

염수 소모율은 전기분해 전지(55)에 오염물질의 존재하는지를 결정하기 위하여 선택적으로 사용될 수 있다. 깨끗한 전지에서 정상 작동시에, 염수 소모율은 안정적이며 측정가능하다. 전기분해 전지(55) 내에 탄산염 스케일이 형성될 때, 탄산염 박막은 전기분해 전지(55) 내의 양극과 음극 사이의 절연체로서 작용한다. 이러한 절연 효과를 보상하고 전기분해 전지(55) 내의 암페어를 유지하기 위하여, 염수 소모율은 전기분해 전지(55) 내의 전도성을 증가시키기 위하여 증가한다. 이와 같이 증가된 염수 소모율이 정상적인 염수 소모율과 비교된다. 전기분해 전지(55)를 통한 유동은 전기분해 전지(55) 내에 오염물질 형성을 측정하기 위하여 또한 사용될 수 있다. 유동은 예를 들면 두 개의 열전대 또는 입구 써모웰(65)과 전지 출구 써모웰(70) 간의 온도차를 비교하는 것에 의해, 전기분해 전지(55)에서의 온도 상승을 측정함으로써 간접적으로 측정될 수 있다. 이러한 수단들에 의해 탄산염 형성이 검출될 때, 전기분해 전지(55)는 전술한 임의의 방법이나 구성요소에 의해 세척될 수 있다. 염수 소모는 염수 유량, 염수 펌프(20)의 회전속도계 속도 또는 유입수 유량을 이용하여 측정될 수 있다.

전술한 세척 방법들 이외에(또는 대신에), 전기분해 전지에 전해액을 유동시키거나 유동시키지 않는 동안, 바람직하게는 매우 짧은 기간 동안 전기분해 전지 내의 전극들의 극성을 역전시킴으로써 선택적으로 전기분해 전지가 세척될 수 있다. 바람직하게는 낮은 전류 밀도에서 전극의 극성을 역전시키는 것은 음극에서 pH를 낮추는데, 이는 오염물질을 분해하고 제거한다. 그러나, 명세서에서 설명된 전기분해 전지를 만드는 염소(4 내지 8 gm/L)에서 치수적으로 안정적인 양극은 일반적으로 높은 전류 밀도(평방 인치당 2 암페어까지)에서 양호하게 작동하지만, 만약 동일한 전류 밀도에서 극성이 역전되면 급속하게 파손될 것이다. 따라서, 기본적인 양극 코팅이 손상되지 않은 상태를 유지하도록 정상적인 염소 생산 작동 모드가 준비 상태인 때에만 작동되는, 반대 극성 모드에서 전지를 세척하기 위하여 낮은 전류 밀도 및/또는 낮은 양극 대 양극 전압에서 별개의 전원을 사용하는 것이 바람직하다. 이 조건들 하에서, 30분 미만의 세척 사이클들이 얻어질 수 있고, 바람직하게는 약 5분 내지 10분 사이의 범위이다. 산업 현장의 경험에 의하면 일주일 미만의 전지 세척 간격은, 전기분해 전지의 공급수 또는 염수 용액을 만들기 위하여 사용된 염이 일반적으로 열악한 품질인 바람직하지 않은 상황이라는 것을 나타낸다. 일주일보다 긴 세척 간격이 명백히 산업 표준이다. 일주일에 한번 세척하는 최악의 조건하에서, 시스템 듀티 사이클(생산 작동 모드)의 손실은 여전히 무시해도 될 정도이다.

전기분해 전지를 세척하기 위하여 역극성을 이용하는 실시예에서, 주 전극 및 이극성 전극의 양극 표면과 음극 표면은 치수적으로 안정적인 적절한 양극 코팅으로 코팅된 것이 바람직하다.

도 2는 역극성 세척을 실현하기 위한 시스템의 실시예를 나타낸 개략도이다. 전기분해 전지(130)는 양극(134) 및 음극(132)을 포함하며, 전해액은 전지의 바닥에서 유입되고 산화제는 전지의 상부에서 유출된다. 정상 작동시에, 전기분해 전지(130)는 주 전력 공급 장치(136)에 의해 양극(134) 및 음극(132)에 인가되는 전기 에너지를 갖는다. 주기적으로, 전기분해 전지(130)는 양극(134) 및 음극(132)의 극성을 역전시킴으로써 세척될 것이며, 실질적으로 양극(134)을 음극으로 만들고 음극(132)을 양극으로 만든다. 시스템이 염소계 살균제를 생산하는 정상 생산 모드에서, 양극(134)의 전류 밀도는 바람직하게는 대략 평방 인치당 1 내지 2 암페어 사이이다. 역극성 세척 단계 중에 양극(134)에 대한 손상을 방지하기 위하여, 전류 밀도는 바람직하게는 정상 작동 전류 밀도 범위의 대략 20%이며, 더 바람직하게는 정상 작동 전류 밀도 범위의 대략 10% 내지 15% 사이이다. 역극성 세척 작업은 훨씬 낮은 전력 장치에서 이루어지기 때문에, 주 전력 공급 장치(136)보다 매우 작은 것일 수 있는 세척 전력 공급 장치(138)에 의해 전력이 공급되는 것이 바람직하다. 주 전력 공급 장치(136)로부터의 전력은 바람직하게는 주 전력 케이블(144)을 통해서 전기분해 전지(130)로 전송된다. 세척 전력 공급 장치(138)로부터의 전력은 바람직하게는 세척 전력 케이블(146)을 통해서 전기분해 전지(130)로 전송된다. 바람직하게는, 전력 공급 장치들은 주 전력 공급 릴레이(140)와 세척 전력 공급 릴레이(142)를 통해서 절연된다. 정상 작동시에 염소가 전기분해 전지(130) 내에서 생산될 때, 주 전력 공급 장치(136)는 활성화되고 주 전력 공급 릴레이(140)는 폐쇄된다. 잘못된 극성을 가진 세척 전력 공급 장치(138)로 전류가 역류하는 것을 방지하기 위하여, 세척 전력 공급 릴레이(142)가 개방된다. 마찬가지로, 전기분해 전지(130)가 세척 모드에서 작동할 때 세척 전력 공급 장치(138)는 활성화되고, 주 전력 공급 장치(136)는 비활성되며, 주 전력 공급 릴레이(140)는 개방되고, 세척 전력 공급 릴레이(142)는 폐쇄된다. 짧은 세척 사이클 동안 양극(134)에 낮은 전위 및/또는 낮은 전류 밀도를 이용함으로써, 세척 사이클로 인한 양극(134) 또는 음극(132)에 대한 손상은 무시할 수 있을 정도이다.

도 2에 도시된 것에 대한 대안적인 실시예는 정상 작동뿐만 아니라 세척 사이클을 위한 전력을 제공하기 위하여 주 전력 공급 장치(136)를 사용한다. 이러한 시도는 바람직하게는 극성을 역전시키기 위하여 전력 공급 릴레이(142) 또는 다른 스위칭 장치들을 사용한다. 일반적으로 이러한 시도는 세척 사이클 동안, 정상 작동에서의 전기분해 전지 염수 농도보다 훨씬 낮은 전기분해 전지 염수 농도를 필요로 한다. 그러나, 이러한 시도에서 세척 사이클은 짧은 시간 주기 동안 낮은 전위 및/또는 낮은 전류 밀도에서 실행되는 것이 여전히 바람직하다.

도 3은 본 발명의 온-사이트 발전기의 실시예이다. 저장 탱크(325)로부터의 염수는 물과 혼합되기 전에 염수 필터(330), 온-오프 솔레노이드(335), 변속 염수 펌프(340) 및 체크 밸브(345)를 통과하는 것이 바람직하다. 염수 필터(330)는 필터 교체를 위해 용이하게 접근하기 위한 발전기 인클로저 외부에 위치해 있는 것이 바람직하다. 솔레노이드(335)는 이하 설명하는 바와 같이 세척하는 동안 염수 유동을 정지시키기 위해 사용되고, 또한 전기분해 전지(355) 속으로 과도한 압력의 염수가 침투하는 것을 방지하고 있다. 체크 밸브(345)는 연수가 염수 라인으로 역류하는 것을 방지한다. 물(바람직하게는 연수)의 유동(300)은 로타미터와 같은 유동 센서(315)를 통과하고, 압력 변환기(310)를 지나서 유동 제어 밸브(315)를 통과하고, 통과 전에 염수와 혼합되는 것이 바람직하다. 바람직하게는 감압 밸브(320)는 60 PSI 정도인 유입수의 압력을 바람직하게 전기분해 전지(355)가 작동하는 압력인 약 5 내지 6 PSI로 감소시킨다. 감압 밸브(320)는 또한 파열 디스크를 발생시키거나 또는 다른 유사한 장치를 폭발시킬 수 있는 높은 압력이 전기분해 전지에 가해지는 것을 방지한다. 전기분해 전지(355)에 진입하기 전에 물/염수 용액(전해액)은 입구 써모웰(350)을 통과하는 것이 바람직하다. 전기 분해 후에 혼합된 산화제가 산화제 저장 탱크(370)에 저장되기 전에 출구 써모웰(360)을 통해 전기분해 전지를 빠져나가는 것이 바람직하다. 이 실시예에서, 물의 유동과 염수의 유동은 별도로 및/또는 자동으로 제어하는 것이 바람직하다. 물의 유동을 별도로 모니터링하고 바람직하게는 자동으로 제어함으로써, 유입수의 압력이나 유량이 변동하는 경우에도 일정한 유량이 전기분해 전지에 공급될 수 있다. 변동이 큰 경우에, 이러한 제어에 의해 입구의 수압이 다시 특정된 한계값 이내로 될 때까지 시스템의 원활한 중단이 가능하게 된다. 이에 의해 전기 분해 과정의 제어를 크게 향상시킬 수 있다. 하나는 유동 제어용이고 다른 하나는 전지 전력 공급 장치 제어용인 듀얼 프로세서가 이용될 수 있다.

상기 설명한 바와 같이, 역극성 세척은 정상 전지 작동에 사용되는 것보다 낮은 전류 밀도에서 수행되는 것이 바람직하다. 일반적으로 이 전류 밀도는 다음 중 하나 이상의 단계에 의해 달성될 수 있다, 즉 전압을 낮추는 단계, 전해액의 염도(예컨대, 염수 농도)를 낮추는 단계, 및/또는 작동 온도를 낮추는 단계(온도가 감소함에 따라 물의 저항이 증가하기 때문임). 본 발명의 실시예는 바람직하게는 다음과 같은 절차에 따라 역극성 세척을 수행한다, 즉

1) 염수 유동을 차단한다.

2) 약 1분 내지 3분 동안, 바람직하게는 연수로 전기분해 전지를 플러싱하고, 상기 전지 내의 염도와 온도를 감소시킨다. 전류는 일반적으로 소망하는 세척 전류 밀도보다 높은 수치로 급등한다(정상 작동 전류 밀도가 75A이거나, 정상 작동 전류 밀도의 약 10% 내지 15%인 경우, 소망하는 세척 전류 밀도가 예를 들면 10A일 수 있음).

3) 소망하는 세척 전류 밀도 이하로 전류가 떨어지도록 상기 전기분해 전지의 염도 및 온도가 충분히 낮아질 때까지(즉, 상기 전기분해 전지 내에 용액의 저항이 충분히 높음) 전지를 통한 물의 유동이 계속된다.

4) 물의 유동을 차단한다. 이제, 전지는 바람직하게는 실질적으로 물로 가득 채워진다.

5) 전력 전지의 극성을 역전시키고, 바람직하게는 전압을 일정하게 유지하고, 상기 전지가 작동되고 있기 때문에, 전지 온도가 일반적으로 증가함으로써 뜨거운 물의 감소된 저항으로 인해 전류를 증가시킨다.

6) 전류가 대략 소망하는 세척 전류 밀도에 도달하면, 다시 물 유동을 턴 온한다.

7) 약 30초 이하마다 소망하는 세척 시간 동안 예를 들어 약 3분 내지 5분 동안, 단계 3) 내지 단계 6)을 반복한다.

8) 약 30초 동안 전지로부터 파편을 플러싱하고, 다음 정상 동작 시작으로 진행한다.

대략 소망하는 값 이하로 소망하는 세척 전류 밀도를 유지하는 것 이외에, 이와 같이 물의 유동을 조절하는 것은 전지에서 스케일 조각 등의 오염물질을 제거하는 물리적 효과가 있다. 이 절차는 솔레노이드 제어 밸브, PWM 밸브, 또는 0 내지 5V의 밸브와 같이 측정된 전류 밀도에 의해 제어되는 자동 물 유동 제어 밸브의 사용에 의해 가능해진다. 물의 유동은 바람직하게는 제어 입력으로서 유량, 압력 및/또는 온도를 사용하는 PID(비례-적분-미분) 컨트롤러에 의해 제어될 수 있다.

단계 2)에서 턴 온된 전류가 소망하는 세척 전류 밀도 이상으로 급등하지 않을 경우, 또는 전류가 단계 6)의 해당 수준에 도달하지 않는 경우, 다음에 소망하는 수준으로 전류 밀도를 증가시키기 위해 세척 절차 동안 염수가 선택적으로 전지에 주입될 수 있다. 다음에 상기 설명한 대로 다음 절차가 계속될 수 있다.

전기분해 전지의 출력을 포함하는 산화제 탱크의 수준이 미리 설정된 낮은 수준과 미리 설정된 높은 수준 사이인 경우에 시스템이 바람직하게 정상 작동한다. 환언하면, 시스템이 바람직하게 자동으로 탱크가 낮은 경우에 작동하고 탱크가 가득 찬 경우 중지된다. 세척 절차는 바람직하게는 시스템이 세척이 필요하다고 표시될 때(예를 들면, 미리 설정된 시간 또는 작업 시간, 예를 들어 720시간 이후, 또는 미리 설정된 유량, 또는 오염이 측정되고 최대 소망하는 수준에 도달한 경우) 그리고 산화제 탱크가 미리 설정된 낮은 수준으로 충분히 비워져 있을 때 시작된다. 이는 세척 단계 후에 즉시 정상 작동이 재개됨으로써, 이들 오염물질이 자리 잡을 기회를 가지기 전에 전지로부터 (쉽게 세척되는 산화제 탱크로) 모든 오염물질이나 파편을 플러싱하는 것을 보장한다. 또한, 세척 작업은 바람직하게는 산화제 저장 탱크에 저장되어 있는 산화제 용액을 감지할 수 있는 정도로 희석하지 않는다.

상기 역극성 세척 절차를 수행하는 동안 전지는 소정 양의 전류(암페어-초)에 놓이게 된다. 예를 들어, 10암페어에서의 3분의 세척 기간은 총 1800암페어-초로 이어진다. 시간과 전류가 대략 동일한 (또는 유사한) 암페어-초 값을 부여하는 다른 값이 되도록 대안적으로 선택될 수 있다. 예를 들어, 30초의 세척 기간이 60암페어에서 실행됨으로써, 총 1800암페어-초의 동일한 값을 부여한다. 이에 의해 동일한 세척 효과가 발생하지만, 더 짧은 세척 시간 기간을 허용할 수 있어서 잠재적으로 더 자주 세척을 수행할 수 있다. 그러나, 역극성 세척 전류 밀도를 더 높게 해서 양극을 손상시키지 않도록 주의해야 한다.(이러한 높은 전류 밀도는 여전히 바람직하게 정상 작동 전류 밀도와 동일하거나 그보다 더 작다.) 하나의 전형적인 세척 사이클은 한 달에 한 번 5분 정도로 드물게 실행될 수 있다.

도 4는 본 발명의 이극성 전지의 실시예의 도면이다. 전지는 수평 유동 전지인 것이 바람직하다. 도시된 전지는 복수의 모듈(500)을 포함하고, 각각의 모듈은 주 전극에 의해 분리되며 O-링 또는 이와 유사한 씰에 의해 밀봉되는 것이 바람직하다. 각 모듈은 하나 이상의 중간 전극(미도시)을 포함하고 있다. 도시된 바와 같이, (입구 매니폴드(510)를 통한) 각 모듈로의 전해액의 유동과 (출구 매니폴드(520)를 통한) 각 모듈로부터 나온 산화제의 유동은 평행하게 발생한다. 입구 매니폴드(510)는 모든 모듈에 대해 동일한 흐름을 병렬로 제공하는 것이 바람직하다. 각 전극에 평행한 전지를 통한 유동뿐만 아니라, 상기 전지가 상기 흐름에 대해 서로 평행하게 배열되어 있는 것이 바람직하다. 본 발명이 속한 기술 분야에서 공지된 다른 전지는 한 모듈에 흐르는 전해액/산화제가 이전 모듈의 출력에서 나오도록 직렬로 구성되어 있다. 본 실시예의 구성은 사용된 모듈의 개수에 관계없이, 제품에 대해 단일 정의된 밑면적(footprint)을 허용할 수 있다. 반면에, 직렬 시스템은 사용되는 모듈의 수에 따라 크게 다른 밑면적이 필요하다. 또한, 전해액 품질이 직렬 시스템 내의 모듈마다 크게 다르기 때문에, 특정 모듈이 더 빨리 마모되어 더 자주 교체되거나 또는 상기 모듈을 교대하여야 한다. 반면에, 병렬 시스템에 의하면, 각 모듈에 들어가는 전해액이 정확히 각 모듈에 대해 동일하다. 따라서 모듈은 균일하게 마모된다.(일반적으로 모듈이 결국 마모되었을 때 전체 전지가 대체된다)

도 5a는 도 4의 전지의 모듈 중 하나의 입구 단부의 절개 단부도이다. 상기 모듈은 바람직하게 하나 이상의 병렬 중간 전극(530)을 포함한다. 이 도면에서 모듈에 들어가는 전해액의 유동 방향은 도면의 지면에 있다. 모듈은 바람직하게는 전해액이 전지에 직접 흘러들어가서 전해액이 아래로, 예를 들면 분배 영역(570)과 유동 확산기(flow diffuser)(550) 주위로 밀고 들어가는 것을 차단하는 유동 확산기(550)를 포함하고, 이에 의해 입구(540)로부터 모듈로 진입하는 전해액을 모든 중간 전극들 사이에서 실질적으로 균일하게 분배한다. 유동 확산기(550)는 강성 또는 가요성일 수 있고, 염소화폴리염화비닐(CPVC) 또는 Viton^®와 같은 화학적 내성 물질을 포함할 수 있다.

도 5b는 도 4의 전지의 모듈 중 하나의 출구 단부의 사시도이다. 각각의 중간 전극(530)은 갭(600)을 형성하기 위해 연장부(535)에 의해 구성되는 것이 바람직하다. 갭(600)은 중간 전극(530)의 하단에 도시되어 있지만, 그것은 대안적으로 중간 전극(530)의 에지를 따라 어느 곳에도 배치될 수 있다. 하나 이상의 갭이 선택적으로 사용될 수 있다. 갭(600)은 바람직하게는 중간 전극을 나오는 유동의 혼합을 용이하게 하고 따라서 모든 중간 전극들 사이에 상당하는 흐름이 있다는 것을 확보하는 데 도움이 되고 이에 의해 전지 효율성을 향상시킨다. 대안적으로, 전극은 직사각형이 될 수 있으며, 에지 보호기가 갭(600)을 형성하도록 구성된 연장부(535)를 포함할 수 있다

에지 보호기는 전지에 중간 전극을 유지하는 역할을 하며, 바람직하게는 염소화폴리염화비닐(CPVC)를 포함하고 바람직하게는 중간 전극을 각각 수용하기 위한 복수의 그루브를 포함한다. 에지 보호기 및/또는 전극의 다른 측면을 따르는 다른 에지 보호기는 선택적으로 상당한 비용 장점이 있는 압축 Viton^® 가스킷을 포함할 수 있다. 하나의 에지에 이러한 가스킷을 사용하면 상당한 강성의 희생 없이 비용을 절감할 수 있다. 어떠한 에지 보호기도 서로 다른 폭을 갖는 에지 보호기로 교체가능한 것이 바람직하다. 이에 의해 서로 다른 화학 및/또는 전극 코팅을 갖는 시스템에서 사용될 수 있는 다른 크기의 중간 전극에 동일한 전지 인클로저가 사용될 수 있다.

도 6은 주 전극(610, 620), 중간 전극(630) 및 에지 보호기(640, 650)를 포함하는 본 발명에 따른 전기분해 전지의 대안적인 실시예의 단면도이다. 각 중간 전극은 바람직하게는 하나 이상의 홀 또는 개구(660)를 포함하고 있다. 이들 개구에 의해 바람직하게는 전기분해 전지를 통한 전해액 유동의 균형을 이루는데 도움이 되고 전지 효율이 더 양호하게 된다. 각 중간 전극의 개구는 바람직하게는 인접한 중간 전극(들)에 있는 개구로부터 서로 엇갈리게 되거나 또는 오프셋 되어, 전자의 대부분이 촉매 전극 코팅을 통해 강제로 이동되도록 전자에 대한 구부러진 경로를 제공하고 있다.

절전 프로그래밍

정상 작동하는 동안, 산화제 탱크가 미리 결정된 낮은 수준에 있는 경우 시스템이 바람직하게 작동되고 산화제를 더 많이 생산하고, 소정의 높은 수준에 도달할 때 중지된다. 산화제 탱크 내의 산화제의 수준이 높은 수준과 낮은 수준 사이에 있는 경우 시스템은 일반적으로 작동하지 않는다. 그러나, 산화제 수준이 낮은 수준(즉, 산화제 탱크 내의 산화제의 수준이 높은 수준과 낮은 수준 사이에 있는 때)으로 떨어지는 전에, 전기료를 절약하기 위해, 본 시스템의 실시예들은 전기료가 탱크를 "가득 채우기" 위해 최소 비용인 때의 시간 동안 작동될 수 있고 따라서 전기가 더 비싸고, 산화제 수준이 낮은 수준으로 떨어지는 경우 미리 비우고나중에 작업을 하게 된다.

본 발명은 개시된 실시예를 특별히 참조하여 상세하게 설명되어 있지만, 다른 실시예도 동일한 결과를 얻을 수 있다. 본 발명의 변형 및 수정은 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하게 될 것이며 그것은 이러한 모든 수정과 균등물을 포함하기 위한 것이다. 상기 인용된 모든 특허 및 간행물의 전체 공개물은 인용에 의해 본 명세서에 통합되었다.

Claims (38)

1. 전기분해 전지의 세척 방법으로서,
   상기 전기분해 전지의 전류 밀도가 소정의 세척 전류 밀도 이하로 떨어질 때까지 상기 전기분해 전지 내로 물을 유동시키고, 상기 전기분해 전지 내에 포함된 전해액의 염도를 낮추는 단계;
   상기 전기분해 전지로의 물의 유동을 중단시키는 단계;
   전극 극성을 역전시키는 단계;
   일정한 전극 전압을 유지하는 단계;
   상기 전류 밀도가 소정의 세척 전류 밀도 이상으로 증가할 때까지 상기 전기분해 전지를 작동시키는 단계;
   상기 전류 밀도가 소정의 세척 전류 밀도 이하로 감소할 때까지 상기 전기분해 전지로의 물의 유동을 시작하는 단계; 및
   상기 중단 단계, 상기 작동 단계 및 상기 시작 단계를 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해 전지의 세척 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 중단 단계, 상기 작동 단계 및 상기 시작 단계를 반복하는 단계는 상기 전지로부터 오염물질을 물리적으로 축출하는 것을 특징으로 하는 전기분해 전지의 세척 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 전기분해 전지로의 염수의 유동과 상기 전기분해 전지로의 물의 유동은 독립적으로 제어가능한 것을 특징으로 하는 전기분해 전지의 세척 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 전류 밀도가 상기 작동 단계 도중 충분히 증가하지 않으면 전해액의 염도를 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해 전지의 세척 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 전기분해 전지의 출력은 산화제 탱크 내에 포함되고, 상기 방법은 시한의 경과, 상기 전지의 작동 시간의 초과, 상기 전지를 통한 전해액 유동량의 초과 및 오염물질 수준의 도달로 이루어진 군으로부터 선택된 소정의 이벤트가 발생한 후, 상기 산화제 탱크 내의 산화제의 양이 소정의 하위 역치량 이하일 때 실시되는 것을 특징으로 하는 전기분해 전지의 세척 방법.
6. 제5항에 있어서,
   세척이 완료된 직후 상기 전기분해 전지의 정상 작동을 개시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해 전지의 세척 방법.
7. 제6항에 있어서,
   세척이 완료되면, 상기 전기분해 전지로부터 파편들을 플러싱하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해 전지의 세척 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 파편은 스케일 조각을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해 전지의 세척 방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 방법은 3분 내지 5분 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 전기분해 전지의 세척 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 반복 단계는 30초마다 실시되는 것을 특징으로 하는 전기분해 전지의 세척 방법.
11. 제1항에 있어서,
    상기 방법은 한 달에 한번 실시되는 것을 특징으로 하는 전기분해 전지의 세척 방법.
12. 제1항에 있어서,
    상기 소정의 세척 전류 밀도와 전체 세척 시간은 상기 전기분해 전지를 소정 양의 암페어-초에 노출하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 전기분해 전지의 세척 방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 소정 양의 암페어-초는 1800인 것을 특징으로 하는 전기분해 전지의 세척 방법.
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